多层介质中隐含层的太赫兹无损检测

在工业应用中,大多数情况下的复合结构介质仅有一面可以被检测,因此需要研究反射模式下检测介质内部参数的太赫兹无损检测方法.推导了反射模式下太赫兹波在三层结构介质中的传输模型,通过遗传算法共同反演估计得到中间分层的厚度,以及它的折射率,从而获得中间隐藏层的具体信息.制备了具有200μm的隐藏分层的三层结构样品,利用太赫兹时域光谱系统对其进行了测量,将理论模型与实测数据进行对比,利用遗传算法估计得到隐藏层的厚度和折射率,将厚度估计值与测厚仪测量结果对比,误差保持在4%以内,折射率估计值与实际值相比,误差范围波动较大,平均误差为6%左右,最后对误差来源进行了分析,为多层复合材料内部缺陷、中间层材料的介电参数估计提供了理论和实验依据.研究表明该系统作为一种无损评价方法可以广泛应用于层状结构的可靠性评价.     

基于太赫兹时域光谱技术的多层涂层高效可靠测厚方法

为实现基于太赫兹技术的多层涂层的快速与可靠测厚,提出了一种自适应教与学优化算法,改进了标准Kent混沌映射,提高了初始种群多样性;并基于步长调节优化和次优个体优化,改进了教阶段与学阶段,提高算法寻优精度和效率。将该算法与太赫兹波测量多层涂层厚度的理论模型结合,建立了涂层厚度求解方法。最后,制备了多层涂层样件,开展了太赫兹无损检测实验。实验结果表明:建立的涂层厚度求解方法相比于全局最优算法的效率提高了1倍,单次实验仅需50 s左右便可快速得到多层涂层的厚度、折射率和消光系数,测量所得的多层涂层厚度的相对误差在1.5%以内,且标准差最大不超过1.7μm。基于太赫兹测量信号,所提方法可以高效、准确及可靠地计算多层涂层的厚度。     

太赫兹脉冲光谱法测量微米级多层油漆涂层厚度技术

在汽车工业、飞机、船舶等领域中,油漆的涂层厚度管理对产品防水、防锈功能和颜色效果有着重要影响,但是目前采用的商业化涂层测厚仪都是接触式,并且很难直接获得多层涂层中的各层厚度。利用反射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统探测样品的太赫兹脉冲光谱,基于脉冲回波的飞行时间建立简易的单点漆膜厚度提取模型。并通过最小二乘法拟合油漆样品的光学厚度与几何厚度之间的线性关系计算出12种涂覆在铝板上的油漆样品的测量折射率,发现金属油漆与非金属油漆在太赫兹波段的折射率存在较大的差异,闪光银色油漆样品的测量折射率为5.15,而白色油漆样品的测量折射率仅为2.64。在单层白色油漆样品厚度分布均匀的区域内测量50个点的膜厚,以磁/涡流感应涂层测厚仪的测量数据为参考标准,得到的厚度平均值为71.7 μm,测量误差为3.5 μm。对双层油漆样品进行二维扫描,测得白色油漆和底漆的厚度分布分别是(233±13)和(130±11) μm。同样,通过黑色三层油漆样品和银色三层油漆样品的二维分布图,分析了各层的漆膜厚度及其分布的均匀性。结果表明,太赫兹脉冲光谱法实现了1～3层漆膜的厚度测量及其分布均匀性评估,该方法对金属油漆的厚度分辨力较高,并且可通过非接触探测样品的太赫兹脉冲光谱,获得多层油漆的各层厚度及厚度的二维分布信息,易于实现喷涂质量的评估。     

太赫兹波段电磁超材料吸波器折射率传感特性

太赫兹超材料吸波器作为一类重要的超材料功能器件,除了可以实现对入射太赫兹波的完美吸收外,还可以作为折射率传感器实现对周围环境信息变化的捕捉与监测.通常从优化表面金属谐振单元结构和改变介质层材料和形态两个方面出发,改善太赫兹超材料吸波器的传感特性.为深入研究中间介质层对太赫兹超材料吸波器传感特性的影响,本文基于金属开口谐...     

厚度误差对THz-TDS的测量不确定度分析

阐述了基于菲涅尔公式的透射式太赫兹时域光谱系统提取样品光学常数的方法和原理,分析了样品厚度误差对THz-TDS测量不确定度的影响,并建立了相应的不确定度模型。进行太赫兹时域光谱测量实验,提取硅片在太赫兹波段的折射率,并计算了误差对提取样品折射率的影响。结果表明,随着厚度误差的增大,系统测量偏差也随之增大。对于较厚样品,相同厚度误差对其测量结果影响较小。样品厚度为994μm时,在厚度存在1μm的测量误差情况下,系统测量折射率的偏差为0.001 2,接近模型的仿真值。实验结果验证了厚度误差对测量不确定度模型的有效性,了解了厚度误差对系统测量结果的影响情况,对测量过程及结果分析具有一定的指导意义。     

基于太赫兹光谱技术的山核桃内部虫害检测初步研究

美洲山核桃是美国最重要的坚果之一,内部虫害是影响山核桃质量的重要因素。 为了实现美洲山核桃内部虫害的有效快速、 无损检测,初步探索应用太赫兹光谱技术检测山核桃虫害研究。 收集山核桃样本并制作核桃仁1,2,3 mm均匀厚度的切片,切片大小为2 cm×1 cm,按照同样的尺寸制作核桃壳和核桃仁中间夹层的切片;利用太赫兹时域光谱设备采集不同切片0～2THz波段的太赫兹吸收光谱,并对比分析了所测切片的光谱特性;采集了活体烟草天蛾切片和干燥的山核桃虫害切片的太赫兹时域光谱,由于活体害虫的较高含水量以及太赫兹光谱对水分等极性分子的强吸收特性,与山核桃切片对比发现,活体虫害呈现非常明显的光谱吸收特性;最后,对整个山核桃样本进行了无损透射试验。 研究表明,太赫兹光谱技术在检测山核桃内部虫害方面具有较好的应用潜力,为进一步认识太赫兹光谱性质,掌握样品制备方法、 实验测试方法和数据获取及光学参数计算方法,应用太赫兹光谱技术开展山核桃内部虫害快速无损检测提供参考。     

石墨烯基双曲色散特异材料的负折射与体等离子体性质

基于有效介质理论研究了石墨烯/介质周期结构的电磁性质, 研究发现这种复合结构的等频面在太赫兹和远红外波段为双曲线, 可用来实现石墨烯基双曲色散特异材料. 通过改变石墨烯的费米能级、介质层厚度和单元结构中石墨烯的层数, 可很容易地调节双曲色散存在的频段. 由于等频面的双曲色散特性, 石墨烯基双曲色散特异材料在远低于截止频率的范围内, 对斜入射的电磁波具有负的能量折射率和正的相位折射率, 并支持局域体等离子体模式. 基于衰减全反射结构, 研究了体等离子体的激发, 探索了体等离子体在可调的光学反射调制器中的应用.     

太赫兹飞行时间测厚法在大气环境中的应用

太赫兹飞行时间（terahertz time-of-flight,THz-TOF）法具有快速、无损、高精度等优点,是厚度检测领域的新型发展方向。然而大气环境中水蒸气对太赫兹波存在较强的吸收,限制了THz-TOF法在大气环境中的应用。分析了THz-TOF法中太赫兹波在大气环境中的传播机理;提出了一种基于吸收模型的水蒸气消除方法;以两种塑料板样品为对象开展了应用研究。通过和干燥环境中测量的结果进行对比,结果表明：该方法能够有效消除水蒸气的干扰,实现大气环境中材料厚度和折射率的准确测量。     

超宽谱透射式的太赫兹波正交偏振转换器

利用CST电磁场仿真软件模拟设计了基于开口谐振环-介质-光栅3层结构的超宽谱透射式的太赫兹波正交偏振转换器件,研究了各层透射系数谱以及结构参量对偏振转换的影响,通过计算结构电场和电流分布分析了器件的工作原理.模拟结果表明:设计的器件实现在0.5~2.7THz频谱内,将入射的y偏振太赫兹光转换成x偏振光,转换效率高达99%.由结构电场分布以及表面电流分布推出,入射的y偏振太赫兹光耦合到开口环上,形成振荡的电偶极子,并辐射出太赫兹波x偏振分量.底部光栅层的作用是透过x偏振分量,并将剩余的y偏振光反射回开口环层,并在开口环层和光栅层间形成法布里-珀罗反射进一步提高偏振转换效率.可通过优化介质层厚度、光栅宽度和阵列周期关键参量来优化器件的转换性能.     

基于金属孔阵列的聚酰亚胺薄膜太赫兹探测

优化设计了多种不同孔径和形状的太赫兹波段的亚波长金属孔阵列结构,结合超薄低折射率的聚酰亚胺（PI）薄膜,探索了太赫兹时域光谱技术对超薄低折射率的探测灵敏性。利用飞秒微加工技术制备了一系列亚波长金属孔阵列结构,利用太赫兹时域光谱技术测试了阵列结构的反射波谱,获得了强烈的反射共振现象。然后在亚波长金属孔阵列结构背面叠加PI薄膜,结果表明太赫兹反射峰出现了显著低频移动现象。利用这一现象,实现了低至10 m的PI薄膜的有效探测,说明亚波长金属孔阵列结构在太赫兹传感领域对检测超薄低折射率薄膜材料有极强敏感性。收稿日期:; 修订日期:     

太赫兹表面等离激元共振传感器

对通过棱镜耦合的太赫兹表面等离激元共振传感器的工作特性进行了理论分析.此类器件在可见光波段工作时,在由样品折射率、金属膜层性质和厚度决定的共振角度下会出现一个反射极小峰;但工作在太赫兹频率时,表面等离激元共振现象表现为一个反射增强的尖峰,而且这一共振角度与棱镜和样品的折射率之间存在一个简单的对应关系,并不依赖于棱镜所镀...     

基于双尺度4分离层优化的石墨烯太赫兹宽带吸波结构

为实现对未来远程太赫兹雷达的高效对抗与隐身,针对典型太赫兹雷达工作频率设计了一种石墨烯太赫兹宽带吸波结构。宽带吸波结构以表层金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层为基本吸波结构单元,利用遗传算法对双尺度基本吸波结构单元进行4分离层优化设计,确定宽带吸波结构的各层结构参数。仿真结果表明:宽带吸波结构在0.138 THz～2 THz频率范围内吸收效率优于80%,在0.157 THz～2 THz频率范围内吸收效率优于97.46%,典型太赫兹雷达工作频率处吸收效率均优于92.27%,满足太赫兹雷达对抗与隐身要求。     

高速扫描太赫兹系统在珐琅上的应用

珐琅在宫廷艺术品中享有重要地位，其制作工艺复杂，为了更好地分析珐琅的制作工艺，各种无损的科技手段都被用于珐琅的研究。太赫兹作为最后一个未被完全开发的波段，近年来被广泛应用于无损检测领域，例如通信、安检和航天等。将太赫兹技术应用于珐琅的保护和修复具有重要意义。本文搭建了基于异步光学采样（ASOPS）的高速扫描太赫兹系统，将此系统用于珐琅的反射成像研究。实验结果表明，胎体和掐丝结构的反射率较高，但边缘图案的反射率没有中间金属反射率高。掐丝结构的金属丝较细，太赫兹图像仍可以清晰地显示出它的形态，但并没有观察到不同珐琅釉料颜色的差别。珐琅片的内部至少有两层结构，分别为胎体层和掐丝釉料层。掐丝珐琅釉料层的表面并不平整而是呈现包络状，可能是在制作珐琅的最后一步磨光的过程中磨得不完全，底层的胎体平整而规则。     

食品添加剂特丁基对苯二酚的太赫兹光谱及其检测分析

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对物质进行无损检测是太赫兹应用领域的一个研究热点.针对近日报道检查出部分麦当劳的"麦乐鸡"添加剂中含有的一种化学成分一特丁基对苯二酚(TBHQ)含量超标,应用太赫兹无损检测技术对其作定性识别.测得该种化学成分在0.2～2.2 THz的吸收谱和折射率曲线,并将其以不同比例与面粉均匀混合,测得混和物和面粉在0.2～2.2 THz的吸收谱.同时对TBHQ进行理论模拟作为对比.结果表明,通过太赫兹波段吸收曲线的特征差异检测TBHQ是可行的,为无损食品添加剂的检测提供一种新型的方法.     

多层介质中的光自旋霍尔效应研究

本文研究了光束通过多层介质分界面的光自旋霍尔效应. 以三层介质为例,建立了光束通过棱镜-空气-棱镜结构的传输模型,揭示了横移与空气介质的厚度、折射率梯度以及入射角等因素的定性关系. 发现对某一特定的圆偏振光束,改变两棱镜之间的折射率梯度可以调控横移,反射场与传输场的横移方向取决于折射率梯度. 相对于两层介质来说,高斯光束通过三层介质能明显地增强光自旋霍尔效应. 研究多层介质中光自旋霍尔效应横移的影响因素可为调控和增强光自旋霍尔效应提供理论依据. 关键词： 光自旋霍尔效应 横移 折射率梯度     

红外低发射率隐身涂层对太赫兹波的反射光谱研究

为研究红外低发射率隐身涂层对太赫兹波的反射特性,制备了红外低发射率隐身涂料,测试了其可见光效果、红外热像图及红外发射率等特性参数。以土黄色红外低发射率涂料为测试样品,利用透射式太赫兹时域光谱系统获得了样品在太赫兹波段的复折射率。分析了特征矩阵理论,并利用特征矩阵理论计算了涂层厚度(0.3~0.5 mm）与入射角度(0°~60°)的变化对入射太赫兹波反射特性的影响。结果表明,在相应厚度及入射角度范围内,太赫兹波在0.8 THz频率下具有多个反射峰值,最高值可达90%以上,有利于实现太赫兹波对红外低发射率隐身涂层下金属目标的探测。此外,涂层厚度变化对入射太赫兹波反射率具有较大影响,涂层越厚,太赫兹波的反射振荡越多,反射峰值越大。入射角度对太赫兹波的反射特性具有一定的影响,但整体影响不大,有利于太赫兹波实现多角度目标的探测。最后,以表面均匀涂覆0.42 mm厚涂料的金属板为测试样品,实验测量了样品在0.1~1.5 THz频率范围内的反射特性,并与部分理论计算结果进行对比。结果表明：实验测量结果与理论计算结果在数值和趋势上较为吻合,但也存在一定的偏差。究其原因,主要由样品厚度和样品参数误差导致,但依然可利用特征矩阵理论研究红外低发射率涂层对太赫兹波的反射光谱特性。     

基于太赫兹光谱的固体粉末含水率检测方法研究

本文以炸药奥克托今（HMX）为例，开展了基于太赫兹光谱的固体粉末含水率检测方法的研究。首先，设计了适用于含水试样的预处理模具，避免预处理和测量过程中HMX粉末水分流失。其次，采用太赫兹时域光谱系统测量了HMX脱水过程的太赫兹光谱，获得了不同含水率HMX的太赫兹折射率和吸收系数。最后，研究了基于支持向量机回归（SVR）的含水率分析方法。提出了融合试样质量和太赫兹折射率的建模方法，解决了基于折射率或吸收系数的回归模型泛化性差的问题。在此基础上，采用遗传算法（GA）和粒子群算法（PSO）对SVR建模过程的正则化参数和核函数进行寻优。结果表明，基于PSO-SVR的模型最优，建模决定系数（R2）为0.996，均方根误差（RMSE）为0.009%，外部验证R2为0.991,RMSE为0.015%。     

玻璃纤维蜂窝复合材料的太赫兹无损检测技术(英文)

采用双高斯脉冲反卷积滤波技术对太赫兹时域波形进行滤波优化,提出一种基于太赫兹时域光谱无损检测的太赫兹反射式层析成像技术,用于分析玻璃纤维蜂窝复合材料的粘接质量.结合玻璃纤维蜂窝复合材料结构的特点,分别在蜂窝上层胶膜和下层胶膜中设计了不同直径的圆形和梯形脱粘缺陷,在此基础上,完成了脱粘缺陷蜂窝结构样品的制作.提出的太赫兹反射式层析成像和B-scan成像方法,适用于玻璃纤维蜂窝复合材料的脱粘缺陷分析.针对反射式层析成像图像对比度差的问题,结合脱粘缺陷处的太赫兹时域波形数据特征,采用缺陷特征时间区域成像优化技术,提高了脱粘缺陷的检测能力和识别准确率,实现了玻璃纤维蜂窝材料的上层脱粘厚度50μm、下层脱粘厚度50μm缺陷的太赫兹无损检测.     

介质/金属结构太赫兹空芯光纤的传输特性

理论分析了金属、介质/金属结构空芯光纤在THz波段的模式结构和传输特性.金属空芯光纤支持TE11模式,介质/金属空芯光纤的介质膜厚在取最优值时支持HE11模式.对于波长为200μm的太赫兹波,内径为1 mm的两种空芯光纤,TE11和HE11模式的损耗分别为8.4 dB/m和2 dB/m.为优化介质/金属结构宅芯光纤的传输性能,分析了金属和介质材料的光学常数对衰减系数的影响.基于几种已发表的金属在太赫兹波段的光学常数,计算结果表明铝是最好的选择;初步测量结果显示,在各种树脂材料中聚乙烯在THz波段吸收较小,并且其折射率接近介质膜的最优值1.41,为太赫兹波空芯光纤中介质膜材料的理想选择.     

PMI泡沫复合材料的太赫兹谱特性实验研究

聚甲基丙烯酰亚胺(polymethacrylimide, PMI)泡沫复合材料具有众多优良特性,被广泛应用于航天航空、军工、船舶、汽车及高速列车等各个领域。而作为新型的夹层结构材料,其太赫兹(Terahertz, THz)波段的性能检测尚未见报道。基于THz时域光谱分析方法,对国内外两种型号的PMI泡沫复合材料在太赫兹波段透射及反射的实验获得的时域波形、功率密度谱进行了分析比较,基于MATALB编程、Origin8.0数据处理,应用时域、频域方法计算分析了不同厚度的德固赛(型号：Rohacell WF71)、美沃科技发展有限公司生产的(型号：SP1D80-P-30) PMI泡沫复合材料的透射率(传输函数)、吸收率、反射率以及折射率等光学参数。研究结果表明：通过对比空气、氮气中的不同测量结果,解释了湿度对测量结果的影响。PMI泡沫复合材料的折射率为1.05左右,功率谱的衰减是由于测试平台本身信号较弱、样品较厚且PMI泡沫的内部微结构的散射,造成THz波在>0.6 THz波段表现出明显的衰减。该结论为THz波段在PMI泡沫复合材料方面的应用提供了理论依据,同时也为太赫兹无损探伤(non-destructive testing, NDT)技术在PMI泡沫复合材料方面的应用做了一个良好的铺垫。